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Gleichstromme@wandler insbesondere fur kleine Meßströme
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Beschreibung: Die Erfindung bezieht sich auf einen Gleichstrommeßwandler
mit einem Meßtransformator, in dessen Primärwicklung der Meßstrom fließt und dessen
Sekundärwicklung von einem speziell geformten Wechselstrom durchflossen wird, der
dazu dient, die durch den Meßstrom verursachte Symmetrieabweichung der Magnetisierungsurve
des TransformatorRerns in eine leicht meßbare Größe (Spannung, Strom, Zeitdauer
oder Tastverhältnis) umzuwandeln, die entweder direkt zur Anzeige des Meßstromes
verwendet werden kann oder als Eingangsgröße einer Regeleinrichtung dient, die einen
Gleichstrom so durch die Sekundärwicklung schickt, daß die Symmetrie der Magnetisierungskurve
erhalten bleibt. Der Gleichstrom durch die Sekundärwicklung steht in diesem Fall
in einem festen Verhältnis zum Meßstrom und kann zur Anzeige des Meßstromes verwendet
werden.
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Es sind mehrere solcher Verfahren bekannt (Offenlegungsschrift 24
42 223, Offenlegungsschrift 24 52 667). Bei allen diesen Verfahren wird durch den
sekundärseitig fließenden Wechselstrom der ferromagnetische Kern des Meßtransformators
fortwährend ummagnetisiert und dabei bis in die Sättigung getrieben. Den bekannten
Verfahren nach dem Gattungsbegri++ haften mehrere Mängel an: 1. Wegen der notwendigen
hohen magnetischen Aussteuerung des Magnetkernmaterials eignen sich die bekannten
erfahren nach dem Gattungsbegriff nur für große Meßströme ab etwa 5 Ampere.
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2. Da an der Sekundärseite des Meßtransformators eine Wechsel spannung
anliegt, wird in den Meßkreis eine Fremdspannung eingekoppelt Da die bekannten Verfahren
nach dem Gattungsbegriff eine starke Wechselmagnetisierung des ferromagnetischen
Kerns des Meßtransformators benötigen, liegt diese Fremdspannungseinkopplung in
der Größenordnung von etwa 100 Millivolt, was bei vielen elektronischen Geräten
zur vorübergehenden Fehifunttion führen kann.
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3. Meßtransformatoren haben eine idealen Eigenschaften. Die Sekundärwicklung
weist einen ohmschen Widerstand <Serienwiderstand) und eine Wicklungskapazität
(Parallelkapazität) auf. Durch Wirbelstrom- und Hystereseverluste im ferromagnetischen
Kern erscheint noch ein Parallelwiderstand an den Klemmen der Sekundärwicklung.
Diese Einflüsse lassen sith im allgemeinen nur für eine Frequenz kompensieren. Zusatzlich
erscheint noch die Impedanz des Meß-Stromkreises transformiert an den Klemmen der
Sekundärwicklung. Bei den bekannten Verfahren nach dem Gattungsbegriff kann dies
zur Fehlmessung führen.
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4. Ist dem zu messenden Gleichstrom ein Wechselstrom überlagert,
so wird in der Sekundärwicklung des Meßtrans+ormators eine Spannung induziert, die
bei geeigneter Frequenz und genügend großer Amplitude die Auswerteelektronik stören
und damit zur Fehlmessung führen kann.
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Aus diesen Gründen konnten sich die bekannten 61 eichstrommeßwandl
er nur in wenigen Sonderanwendungen (z.B.
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die Messung der Stromaufnahme von Kraftfahrzeug-Anlassern) durchsetzen.
Die bekannten Gleichstromme@wandler nach dem Gattungsbegriff sind für allgemeine
meßtechnische Anwendungen oder gar als Multimeterzusatz nicht geeignet, da die Stromemp+indlichkeit
zu gering und das Risiko einer Fehlmessung zu groß ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen und preiswerten
Mitteln und unter weitgehender Vermeidung der vorgenannten Mängel ein berührungsloses
Gleichstrommeßverfahren zu schaffen, das einerseits für allgemeine meßtechnische
Anwendungen weitgehend geeignet ist und andererseits durch eine um Größenordnungen
höhere StromempfindlichReit gegenüber den bekannten berührungslosen Gleichstrommeßverfahren
die einfache und problemlose Messung des Stromes beziehungsweise der Stromdichte
in Elektrolyten, Plasmen oder Partikeistrahlen ermöglicht.
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Um die Funktionsweise des erfindungsgemäen Gleichstrommeßwandlers
zu verstehen, ist es sinnvoll sich die Magnetisierungskennl inie eines weichmagnetischen
Magnetkernmaterials hoher Permeabilität zu vergegenwärtigen.
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In Fig. 1 ist eine Magnetisierungskennlinie für ein typisches ferromagnetisches
Kernmaterial dargestellt. Bei steigender magnetischer Feldstärke wird der rechte
Zweig durchlaufen, bei abnehmender Feldstärke gilt der linke Zweig Unabhängig vom
Magnetkernmaterial und der Temperatur weist die Magnetisierungskennlinie einige
unveränderliche Eigenschaften auf: 1. Die Magnetisierungskennlinie ist symmetrisch
zum Nullpunkt.
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B(H)=-B(-H) 2. Die Punkte maximaler Steilheit (dB/dH) der Magnetisierungsennlinie
liegen symmetrisch zum Nullpunkt und etwa bei B=8.
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Während die bekannten Gleichstrommeßwandler nach dem Gattungsbegriff
die erste Eigenschaft nutzen, basiert das erfindungsgemäße Gleichstromme»verfahren
auf der zweiten
Eigenschaft der Magnetisierungskennlinie. Der zu
messende Gleichstrom wird von einem ferromagnetischen Kern umschlossen, auf dem
eine Wicklung <Sekundärwicklung) angebracht ist. Derferromagnetische Kern (Fig.
2>, die Sekundärwicklung und ein vom Meßstrom durchflossener Leiter, der vom
ferromagnetischen Kern umschlossen wird, (oder ersatzweise eine Primärwicklung)
bilden zusammen den Meßtransformator (vergleiche auch Fig. 3 und Fig. 4). Schickt
man einen dreieckförmigen Wechselstrom durch die Sekundärwicklung, so wird die Magnetierungskurve
des Magnetkernmaterials mit konstanter Horizontalgeschwindigkeit (nach Fig. 1) in
beiden Richtungen durchlaufen. Dabei wird in der Sekundärwicklung eine Spannung
induziert, die ihre Maximal beträge jeweils genau dann erreicht, wenn die Punkte
maximaler Steilheit der Magnetisierungskennlinie (Fig. 1) durchlaufen werden. Diese
Punkte liegen symmetrisch zum Nullpunkt, der sich längs der H-Achse (Fig. t) verschiebt,
wenn in der Primärwicklung beziehungsweise in dem vom ferromagnetischen Kern umschlossenen
Leiter ein Gleichstrom flie@t. Da die Punkte maximaler Steilheit und damit die Punkte
maximaler induzierter Spannungsbeträge sehr nahe beieinander liegen, genügt eine
geringe magnetische Aussteuerung des Kernmaterials (es muß nur die Hysterese überwunden
werden).
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Dadurch ist der erfindungsgemäße Gleichstrommeßwandler sehr empfindlich
für schwache Meß-Gleichströme. Um die durch den Meßgleichstrom verursachte Nul lpunktverschiebung
der Magnetisierungskennl inie elektronisch auszuwerten, wird die in der Sekundärwicklung
induzierte Spannung differenziert. Aus den Spannungsmaxima werden dadurch Nulldurchgänge,
die sich leicht durch einen nachgeschalteten Komparator fixieren lassen (siehe auch
Fig. 2). Am Ausgang des Komparators steht dann eine rechteckförmige Spannung zur
'verfügung, deren Tastverhältnis proportional dem zu messenden Gleichstrom ist.
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Um dieses Tastverhältnis und damit Göße und Vorzeichen des Meß-Gleichstroms
analog darzustellen, braucht man nur einen symmetrischen Begrenzer und einen Tiefpaß
(siehe auch Fig. 4), oder man schließt einfach ein Drehspulmeßwerk an und nützt
dessen Trägheit aus.
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Zur digitalen Darstellung des Meßwertes genügt ein Vorwärts/Rückwärts-Zähler
mit Zwischenspeicher und digitaler Anzeige. Die Darstellung des Meßwertes als Tastverhältnis
eignet sich auch direkt zur Auswertung durch einen Mikrocomputer.
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Ist der durch die Sekundärwicklung geschickte Strom exakt dreieckförmig,
so wird immer dann, wenn der Differentialquotient dieses Stromes das Vorzeichen
wechselt, ein Spannungssprung in der Sekundärwicklung induziert. Reicht das Frequenzspektrum
dieses Spannungsprunges bis zur Eigenresonanz der Sekundärwicklung, so wird diese
zu Schwingungen angeregt. Spannungsmaxima an der Sekundärwicklung, die mit den Punkten
maximaler Steilheit der Magnetisierungskennlinie nichts zu tun haben, sind die Folge.
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Um dem vorzubeugen (die Eigenresonanz der Sekundärwicklung ist unter
anderem auch von der Impedanz des Meß-Stromkreises abhängig, auf die man bei allgemeinen
meßtechnischen Anwendungen keinen Einfluß hat), kann man durch schaltungstechnische
Maßnahmen die Ecken des dreieckförmigen Stromes verrunden, da dessen Linearität
nur in der Umgebung des Nulldurchganges wichtig ist. Verzichtet man auf die maximal
mögliche Empfindlicheit und Genauigkeit, so kann auch sinusförmiger Strom angewendet
werden.
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Der Spannung an der Sekundärwicklung ist ein dreieckförmiger Anteil
überlagert, der durch den Ohmschen Widerstand der Sekundärwicklung verursacht wird.
Um diese Fehlerquelle zu eliminieren, muß man nur von dem ohnehin vorhandenen Dreieckgenerator
(Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4) einen gleichgroßen Anteil entnehmen und von der Spannung
an der Sekundärwicklung subtrahieren, was schaltungstechnisch sehr leicht möglich
ist. Durch Verwendung getrennter Wicklungen für die Nechselstromdurchflutung und
den Spannungsabgriff kann man das Problem umgehen.
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Bei allgemeinen meßtechnischen Anwendungen ist dem zu messenden Gleichstrom
oft ein Wechselstrom überlagert. Dieser Wechselstrom induziert in der Sekundärwicklung
eine Spannung, die sich der Nutzspannung überlagert und bei genügend großer Amplitude
zur Fehlmessung führen kann. Dieser Nachteil, der allen Gleichstrommeßwandlern nach
dem Gattungsbegriff anhaftet, läßt sich beim erfindungsgemäßen Gleichstrommeßwandler
weitgehend eliminieren. Dazu wird dem Signal des Dreieckgenerators eine Spannung
höherer Frequenz <HF-Generator) und kleinerer Amplitude überlagert (Fig. 3).
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Statt dessen kann auch eine getrennte Wicklung auf dem Meßtransformator
mit hochfrequentem Strom versorgt werden. Vor dem Differenzierer wird ein Bandpaßfilter,
das nur diese Frequenz passieren läßt, und ein Ämplitudendemodulator eingefügt.
Der DreiecRtförmige Stromanteil dient dabei zum automatischen Durchfahren der Magnetisierungskennl
inie. Der hochfrequente Stromanteil induziert eine hochfrequente Spannung in der
Sekundärwicklung, deren Amplitude proportional der Steilheit der Magnetisierungskennlinie
ist. Wieder werden die größten Spannungsbetrage genau dann induziert, wenn die Punkte
maximaler Steilheit der Magnetisierungskennlinie durch-laufen werden. Im Bandpaßfilter
wird mit hoher Wahrscheinlichkeit der durch den dem Meßgleichstrom überlagerten
Wechselstromanteil induzierte Fremdspannungsanteil entfernt. Nach dem Ämplitudendemodulator
steht dasselbe Signal zur Verfügung, wie es bei dem einfachen 61 eichstrommeßwandl
er nach Fig. 2 in der Sekundärwicklung entsteht, nur sind etwaige Störspannungsanteile
ausgefiltert und es hat durch den Ämplitudendemodulator eine Betragsbildung <Äbsolutwertbildung)
stattgefunden. Mit der Betragsbildung ist eine Frequenzverdoppelung verbunden, die
durch einen nach dem bereits aus Fig. 2 bekannten Differenzierer und Komparator
angeordneten Frequenzteiler, der in Fig. 3 durch ein D-Flipflop realisiert ist,
rückgängig gemacht wird. Liefert der Ämplitudendemodulator eine positive Ausgangsspannung,
so muß ein negativ flantengetriggertes Flipflop eingesetzt werden. Liefert der Ämplitudendemodulator
eine negative
Ausgangsspannung, so ist ein positiv flankengetriggertes
Flipflop zu verwenden. Anderenfalls ist das vom D-Flipflop gelieferte Tastverhältnis
von den Scheitelpunkten des dreieckförmigen Stromes abhängig und damit konstant.
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Bei allen Gleichstromme@wandlern, deren Ausgangssignal den Me@gleichstrom
vorzeichenrichtig wiedergibt, kann man den Gleichstrommeßwandler in einen Regelkreis
einbeziehen und einen Gleichstrom so durch die Sekundärwicklung des Meßtransformators
schien, daß die Auswirkung des Meßgleichstroms auf das Magnetfeld im ferromagnetischen
Kern des Meßtransformators kompensiert wird. Dadurch spielen etwaige Nichtlinearitäten
des Gleichstrommeßwandlers keine Rolle mehr. Fig. 4 zeigt die Anwendung dieses bei
den bekannten Gleichstrommeßwandlern weitverbreiteten Prinzips auf den er+indungsgemäßen
Gleichstrommeßwandler.
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Eine EmpfindlichR;eitssteigerung läßt sich durch eine örtlich eng
begrenzte Einschnürung des ferromagnetischen Kerns erzielen. Dadurch steigt an der
Einschnürstelle die magnetische Feldstärke und die Spannungsmaxima an der Sekundärwicklung
werden schärfe. Allerdings kann der ferromagnetische Kern nicht gleichzeitig rotationssymmetrisch
und damit völlig unempfindlich gegen homogene Fremd-Magnetfelder sein.
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Zur Erläuterung der Vorteile des erfindungsgemäßen Gleichstrommeßwandlers
werden die wichtigsten Gleichstrommeßver+ahren in drei Gruppen mit weitgehend ähnlichen
Eigenschaften eingeteilt.
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1. Gleichstrommeßverfahren mit Galvanometern, Drehspulinstrumenten
oder durch Messung des Spannungsabfalls an Messwiderständen. Dazu gehören fast alle
handelsüblichen Analog- und Digitalmultimeter.
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Der erfindungsgemäße Gleichstromme@wandler weist gegenüber diesen
sehr weit verbreiteten Gleichstrommeßver+ahren folgende Vorteile auf: # Der Stromkreis
muß zur Messung nicht aufgetrennt werden -die- Stromzange wird einfach über den
stromführenden Leiter gerippt.
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X Es ist keine elektrische Verbindung zum Meßstromkreis nötig.
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Die Messung kann im Prinzip berührungslos erfolgen. Die Gefahr, daß
das Meßpersonal versehentlich mit gefährlichen Spannungen des Meßstromkreises in
Berührung kommt, ist entscheidend geringer.
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X Es tritt kein Gleichspannungsabfall im Meßstromkreis auf.
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Die Fremdspannungseinkopplung kann vergleichsweise sehr gering gehalten
werden.
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# Bei Verwendung eines vollständig geschlossenen, homogenen und rotationssymmetrischen
Ringkernes ist der erfindungsgemäße Gleichstrommeßwandler unempfindlich gegen homogene
Magnetfelder CErdmagnetfeld).
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X Ein exzessiver Meßstrom (z.B. durch Kurzschluß im Meßstromkreis
oder durch falsche Meßbereichswahl) kann bei den Vergleichsverfahren die Zerstörung
des Meßgerätes zur Folge haben. Beim erfindungsgemäßen Gleichstrommeßwandler ist
lediglich eine erkennbare Fehlmessung die Folge.
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* Es lassen sich auch elektrische Gleichströme oder Stromdichten in
Elektrolyten, Plasmen oder in Partikel strömen messen. Ebenso problemlos meßbar
ist die Gleichstromsumme in mehradrigen Leitungen oder Kabelbäumen CFehlersuche).
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2. Gleichstrommeßwandler mit magnetisch empfindlichen Bauelementen
(Hallsonde, Feldplatte) im magnetischen Kreis der Stromzange.
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Der erfindungsgemäße Gleichstrommeßwandler weist gegenüber den bekannten
Gleichstrommeßwandlern dieser Bauart eine Reihe von Vorteilen auf: * Es sind keine
Spezialbauteile wie Hallelement oder Feldplatte nötig, die mechanisch und thermisch
empfindlich, teuer oder hohen Fertigungsstreuungen unterworfen sind.
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X Es kann ein vollständig geschlossener, homogener Ringkern verwendet
werden. Dadurch wird der Gleichstrommeßwandler unempfindlich gegen homogene Magnetfelder
(Erdmagnetfeld).
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Durch den vollständig geschlossenen, aus einem hochpermeablen Ferromagnetikum
bestehenden magnetischen Kreis kann der Meßstrom eine viel höhere magnetische Induktion
erzeugen als in einem durch eine oder mehrere Hallsonden oder Feldplatten unterbrochenen
magnetischen Kreis. Dadurch lassen sich mit dem erfindungsgemäßen 61 eichstrommeßwandl
er sehr viel kleinere Stromstärken messen.
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X Die stark temperaturabhängigen Kernmaterialparameter Permeabilität
und KoerzitivfeldstärRe wirken sich nicht auf den Meßwert aus. Im Prinzip kann jedes
ferromagnetische Kernmaterial verwendet werden, zur Messung sehr kleiner Gleichströme
empfiehlt sich ein Kernmaterial hoher Permeabilität und kleiner Koerzitivfeldstärke.
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X Der erfindungsgemäße Gleichstrommeßwandler ist selbstentmagnetisierend.
Es ist keine eigene Entmagnetisierungseinrichtung notwendig.
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X Der erfindungsgemäße Gleichstrommeßwandler läßt sich viel billiger
herstellen als Gleichstrommeßwandler mit magnetisch empfindlichen Bauelementen im
magnetischen Kreis der Stromzange.
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X Es müssen keine geringen Gleichspannungen verarbeitet werden. Ohne
Extra-Aufwand erreicht man eine sehr kleine Nul lpunktdri+t.
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3. Andere als der erfindungsgemäße 61 eichstrommeßwandl er, welche
ebenfalls die Sekundärwicklung des Meßtransformators mit einer Wechsel spannung
oder einem Wechselstrom beaufschlagen.
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Der erfindungsgemäße 61 eichstrommeßwandl er weist gegenüber den bekannten
Gleichstrommeßwandlern nach dem Gattungsbegriff eine Reihe von Vorteilen auf: X
Die stark temperaturabhängigen Kernmaterialparameter Permeabilität und Koerzitivfeldstärke
wirken sich nicht auf den Meßwert aus.
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X Die Meßelektronik arbeitet ausschließlich mit gängigen und preiswerten
Bauelementen. Im Kleinsignalbereich wird nur mit Wechselspannungen gearbeitet, der
Nullpunk.tfehler und die Nullpunttdrift können dadurch ohne besonderen Aufwand sehr
klein gehalten werden.
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# Der Einfluß des unvermeidlichen Serienwiderstandes (Wicklungswiderstand)
der Sekundärwicklung des Meßtransformators läßt sich sehr leicht und frequenzunabhängig
kompensieren. Dadurch kann die Frequenz des Dreieckgenerators sehr niedrig gewählt
werden, was eine extrem geringe Fremdspannungseinkopplung in den Me»-Stromkreis
zur Folge hat.
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X Die unvermeidliche Wicklungskapazität des Meßtransformators beeinflußt
das Meßergebnis nicht. Dadurch kann man auch Hilfswechselströme sehr hoher Frequenz
anwenden.
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X Da der Meßtransformator nur aus einem geschlossenen ferromagnetischen
Kern (in der Regel ringförmig) mit unkritischen Eigenschaften und nur einer Wicklung
darauf mit ebenfalls unkritischen Eigenschaften (Serienwiderstand, Parallelkapazität
und Parallelwiderstand) besteht sowie wegen der Me.gbarkeit kleiner und kleinster
Ströme bis in den Mikroamperebereich eignet sich der erfindungsgemäße Gleichstrommeßwandler
auch zur Strommessung beziehungsweise Stromdichtemessung in Elektr-olyten, im Plasma
und in Partikel strahlen.
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X Im Gegensatz zu den bekannten Gleichstrommeßwandlern muß beim erfindungsgemäßen
Gieichstrommeßwandler das Magnetkernmaterial des Meßwandlers nicht bis in die magnetische
Sättigung ausgesteuert werden. Dadurch erlaubt der erfindungsgemäße Gleichstrommeßwandler
eine etwa 100 bis 1000-fach höhere MeSempfindlichReit und es ist auch nicht nötig,
zur Vermeidung von Störeinflüssen die Sekundärwicklung des Meßwandlers gleichmäßig
über einen Rindern zu verteilen oder den Meßtransformator magnetisch abzuschirmen,
da das Magnetkernmaterial stets im Bereich hoher Permeabilität betrieben werden
kann.
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